Imaging technologies are increasingly used to generate high-resolution reference maps of brain structure and function. Modern scientific discovery relies on making comparisons between new maps (e.g. task activations, group structural differences) and these reference maps. Although recent data sharing initiatives have increased the accessibility of such brain maps, data are often shared in disparate coordinate systems (or “spaces”), precluding systematic and accurate comparisons among them. Here we introduce the neuromaps toolbox, an open-access software package for accessing, transforming, and analyzing structural and functional brain annotations. We implement two registration frameworks to generate high-quality transformations between four standard coordinate systems commonly used in neuroimaging research. The initial release of the toolbox features >40 curated reference maps and biological ontologies of the human brain, including maps of gene expression, neurotransmitter receptors, metabolism, neurophysiological oscillations, developmental and evolutionary expansion, functional hierarchy, individual functional variability, and cognitive specialization. Robust quantitative assessment of map-to-map similarity is enabled via a suite of spatial autocorrelation-preserving null models. By combining open-access data with transparent functionality for standardizing and comparing brain maps, the neuromaps software package provides a systematic workflow for comprehensive structural and functional annotation enrichment analysis of the human brain.

Abstract Neurodevelopmental disorders are highly heritable and associated with spatially-selective disruptions of brain anatomy. The logic that translates genetic risks into spatially patterned brain vulnerabilities remains unclear but is a fundamental question in disease pathogenesis. Here, we approach this question by integrating (i) in vivo neuroimaging data from patient subgroups with known causal genomic copy number variations (CNVs), and (ii) bulk and single-cell gene expression data from healthy cortex. First, for each of six different CNV disorders, we show that spatial patterns of cortical anatomy change in youth are correlated with spatial patterns of expression for CNV region genes in bulk cortical tissue from typically-developing adults. Next, by transforming normative bulk-tissue cortical expression data into cell-type expression maps, we further link each disorder’s anatomical change map to specific cell classes and specific CNV-region genes that these cells express. Finally, we establish convergent validity of this “transcriptional vulnerability model” by inter-relating patient neuroimaging data with measures of altered gene expression in both brain and blood-derived patient tissue. Our work clarifies general biological principles that govern the mapping of genetic risks onto regional brain disruption in neurodevelopmental disorders. We present new methods that can harness these principles to screen for potential cellular and molecular determinants of disease from readily available patient neuroimaging data.

Abstract Ageing is commonly associated with changes to segregation and integration of functional brain networks, but, in isolation, current network-based approaches struggle to elucidate changes across the many axes of functional organisation. However, the advent of gradient mapping techniques to neuroimaging provides a new means of studying functional organisation in a multi-dimensional connectivity space. Here, we studied ageing and behaviourally-relevant differences in a three-dimensional connectivity space using the Cambridge Centre for Ageing Neuroscience cohort (n=643). Building on gradient mapping techniques, we developed a set of measures to quantify the dispersion within and between functional communities. We detected a strong shift of the visual network across the lifespan from an extreme to a more central position in the 3D gradient space. In contrast, the dispersion distance of transmodal communities (dorsal attention, ventral attention, frontoparietal and default mode) did not change. However, these communities were increasingly dispersed with increasing age, reflecting more dissimilar functional connectivity profiles within each community. Increasing dispersion of frontoparietal and ventral attention networks, in particular, was associated negatively with cognition, measured by fluid intelligence. By using a technique that explicitly captures the ordering of functional systems in a multi-dimensional hierarchical framework, we identified behaviorally-relevant age-related differences of within and between network organisation. We propose that the study of functional gradients across the lifespan could provide insights that may facilitate the development of new strategies to maintain cognitive ability across the lifespan in health and disease.

A bstract The vast net of fibres within and underneath the cortex is optimised to support the convergence of different levels of brain organisation. Here we propose a novel coordinate system of the human cortex based on an advanced model of its connectivity. Our approach is inspired by seminal, but so far largely neglected models of cortico-cortical wiring established by post mortem anatomical studies and capitalizes on cutting-edge neuroimaging and machine learning. The new model expands the currently prevailing diffusion MRI tractography approach by incorporation of additional features of cortical microstructure and cortico-cortical proximity. Studying several datasets, we could show that our coordinate system robustly recapitulates established sensory-limbic and anterior-posterior dimensions of brain organisation. A series of validation experiments showed that the new wiring space reflects cortical microcircuit features (including pyramidal neuron depth and glial expression) and allowed for competitive simulations of functional connectivity and dynamics across a broad range contexts (based on resting-state fMRI, task-based fMRI, and human intracranial EEG coherence). Our results advance our understanding of how cell-specific neurobiological gradients produce a hierarchical cortical wiring scheme that is concordant with increasing functional sophistication of human brain organisation. Our evaluations demonstrate the cortical wiring space bridges across scales of neural organisation and can be easily translated to single individuals.

Abstract Motivated by prior data on local cortical shrinkage and intracortical myelination, we predicted age-related changes in topological organisation of cortical structural networks during adolescence. We estimated structural correlation from magnetic resonance imaging measures of cortical thickness at 308 regions in a sample of N=297 healthy participants, aged 14-24 years. We used a novel sliding-window analysis to measure age-related changes in network attributes globally, locally and in the context of several community partitions of the network. We found that the strength of structural correlation generally decreased as a function of age. Association cortical regions demonstrated a sharp decrease in nodal degree (hubness) from 14 years, reaching a minimum at approximately 19 years, and then levelling off or even slightly increasing until 24 years. Greater and more prolonged age-related changes in degree of cortical regions within the brain network were associated with faster rates of adolescent cortical myelination and shrinkage. The brain regions that demonstrated the greatest age-related changes were concentrated within prefrontal modules. We conclude that human adolescence is associated with biologically plausible changes in structural imaging markers of brain network organization, consistent with the concept of tuning or consolidating anatomical connectivity between frontal cortex and the rest of the connectome.

Regulation of gene expression drives protein interactions that govern synaptic wiring and neuronal activity. The resulting coordinated activity among neuronal populations supports complex psychological processes, yet how gene expression shapes cognition and emotion remains unknown. Here we directly bridge the microscale and macroscale by mapping gene expression patterns to functional activation patterns across the cortical sheet. Applying unsupervised learning to the Allen Human Brain Atlas and Neurosynth databases, we identify a ventromedial-dorsolateral gradient of gene assemblies that separate affective and cognitive domains. This topographic molecular-psychological signature reflects the hierarchical organization of the neocortex, including systematic variations in cell type, myeloarchitecture, laminar differentiation, and intrinsic network affiliation. In addition, this molecular-psychological signature is related to individual differences in cognitive performance, strengthens over neurodevelopment, and can be replicated in two independent repositories. Collectively, our results reveal spatially covarying transcriptomic and cognitive architectures, highlighting the influence that molecular mechanisms exert on psychological processes.

Abstract Functional neuroimaging research in the non-human primate (NHP) has been advancing at a remarkable rate. The increase in available data establishes a need for robust analysis pipelines designed for NHP neuroimaging and accompanying template spaces to standardize the localization of neuroimaging results. Our group recently developed the NIMH Macaque Template (NMT), a high-resolution population average anatomical template and associated neuroimaging resources, providing researchers with a standard space for macaque neuroimaging (Seidlitz, Sponheim et al., 2018). Here, we release NMT v2, which includes both symmetric and asymmetric templates in stereotaxic orientation, with improvements in spatial contrast, processing efficiency, and segmentation. We also introduce the Cortical Hierarchy Atlas of the Rhesus Macaque (CHARM), a hierarchical parcellation of the macaque cerebral cortex with varying degrees of detail. These tools have been integrated into the neuroimaging analysis software AFNI (Cox, 1996) to provide a comprehensive and robust pipeline for fMRI processing, visualization and analysis of NHP data. AFNI’s new @animal_warper program can be used to efficiently align anatomical scans to the NMT v2 space, and afni_proc.py integrates these results with full fMRI processing using macaque-specific parameters: from motion correction through regression modeling. Taken together, the NMT v2 and AFNI represent an all-in-one package for macaque functional neuroimaging analysis, as demonstrated with available demos for both task and resting state fMRI. Highlights The NMT v2, a stereotaxically aligned symmetric macaque template, is introduced. A new atlas (CHARM), defined on NMT v2, parcellates the cortex at six spatial scales. AFNI’s @animal_warper aligns and maps data between monkey anatomicals and templates. AFNI’s afni_proc.py facilitates monkey fMRI analysis with automated scripting and QC. Demos of macaque task and resting state fMRI analysis with these tools are provided.

Summary While the role of cortical microstructure in organising neural function is well established, it remains unclear how structural constraints can give rise to more flexible elements of cognition. While non-human primate research has demonstrated a close structure-function correspondence, the relationship between microstructure and function remains poorly understood in humans, in part because of the reliance on post mortem analyses which cannot be directly related to functional data. To overcome this barrier, we developed a novel approach to model the similarity of microstructural profiles sampled in the direction of cortical columns. Our approach was initially formulated based on an ultra-high-resolution 3D histological reconstruction of an entire human brain and then translated to myelin-sensitive MRI data in a large cohort of healthy adults. This novel method identified a system-level gradient of microstructural differentiation traversing from primary sensory to limbic regions that followed shifts in laminar differentiation and cytoarchitectural complexity. Importantly, while microstructural and functional gradients described a similar hierarchy, they became increasingly dissociated in transmodal default mode and fronto-parietal networks. Meta analytic decoding of these topographic dissociations highlighted involvement in higher-level aspects of cognition such as cognitive control and social cognition. Our findings demonstrate a relative decoupling of macroscale functional from microstructural gradients in transmodal regions, which likely contributes to the flexible role these regions play in human cognition.

Abstract Adolescence is hypothesized to be a critical period for the development of association cortex. A reduction of the excitation:inhibition (E:I) ratio is a hallmark of critical period development; however it has been unclear how to assess the development of the E:I ratio using non-invasive neuroimaging techniques. Here, we used pharmacological fMRI with a GABAergic benzodiazepine challenge to empirically generate a model of E:I ratio based on multivariate patterns of functional connectivity. In an independent sample of 879 youth (ages 8-22 years), this model predicted reductions in the E:I ratio during adolescence, which were specific to association cortex and related to psychopathology. These findings support hypothesized shifts in E:I balance of association cortices during a neurodevelopmental critical period in adolescence. Teaser Inhibitory maturation of the association cortex reflects an adolescent critical period.